一种活塞发动机曲轴疲劳强度仿真分析研究

王婷婷 宋军 王德鑫

[摘    要]简化活塞发动机曲轴模型，基于ANSYS软件，计算了该活塞发动机曲轴静强度。结合结构的S-N曲线和ANSYS软件FE-Ssfe疲劳计算模块，开展了曲轴的疲劳寿命仿真分析，分析结果表明，该曲轴的疲劳寿命满足产品设计要求。

[关键词]发动机;曲轴;疲劳

[中图分类号]U469.72 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）12–00–02

[Abstract]Simplified piston engine crankshaft model， based on ANSYS software， calculates the static strength of the piston engine crankshaft. Combining the structure's S-N curve and ANSYS software FE-Ssfe fatigue calculation module， the fatigue life simulation analysis of the crankshaft was carried out. The analysis results showed that the fatigue life of the crankshaft met the product design requirements.

[Keywords]engine; crankshaft; fatigue

曲軸是活塞发动机的一个关键部件，其疲劳性能的好坏直接关系到发动机的整机寿命。发动机曲轴系统的载荷按点火频率而积累，这些载荷周起因于气体压力、惯性效应等，并且很快达到数百万周，因此有必要对发动机曲轴系统进行强度分析及疲劳寿命计算。曲轴系统结构示意图如图1所示。

1 有限元建模

1.1 单元选择

对曲轴系统结构中的零件均选择实体单元（solid）进行模拟，基于通用有限元软件进曲轴系统的几何简化和有限元网格划分等工作。

1.2 有限元模型及单元属性

根据建模简化方案建立有限元模型，曲轴系统的有限元网格模型如图2中所示。

1.3 材料属性

转接盘及曲轴结构材料为18Cr2Ni4WA，连杆材料为20CrMo，材料参数如表1所示。

1.4 载荷和约束处理

由曲轴工作载荷谱可知;当曲轴系统旋转0°时，系统承受活塞压力最大（5 980 N），当曲轴旋转360°时，此时系统承受往复惯性力最大（1 235 N）。计算连杆结构，连杆结构约束同转接盘装配部分，在活塞连接销部分按照投影施加载荷。见图3。

1.5 静强度计算结果分析

静强度结果云图如图4、图5所示，计算结果列表如表2所示。

综合计算结果分析可知，曲轴系统旋转0°时连杆安全系数为3.22，满足强度使用要求;在旋转至360°时连杆安全系数大于15。

2 疲劳寿命计算

2.1 疲劳计算条件

大量的分析和研究表明，只按静强度设计并不能保障结构的安全，很多时候结构在承受较低的循环载荷时也会发生破坏，称之为疲劳破坏。由于发动机曲轴系统的载荷按点火频率而积累，因此曲轴系统在转动过程中必然承受交变应力作用。因此其满足产生疲劳的条件。

2.2 疲劳计算任务剖面

该曲轴系统的任务剖面，考虑发动机转速为8000转/分，每转一圈进行一次载荷循环。

2.3 S-N曲线

进行结构寿命计算时，主要依据材料的中值疲劳极限以及该结构的特征数据，最终获得结构的平均疲劳极限，对于结构钢材料综合考虑应力集中系数kf、结构尺寸系数ε、表面粗糙度影响系数β1、表面强化系数β2微动磨损系数γ以及载荷类型系数δ以及可靠性系数CR等影响因素，选取相应的参数进行疲劳极限σ-1的修正。

本次结构的S-N曲线采用三参数双对数坐标公式进行拟合。

当循环次数N≥N0时，疲劳载荷σ-1N=σ-1，其中N0为无限循环次数;σ-1为疲劳极限。

当N∈（1E3，N0）时，由N=1E3、σ-1N=0.75σb和N=N0、σ-1N=σ-1两点在双对数坐标上直线相连，此直线即为N∈（1E3，N0的S-N曲线，其表达式为：

对于部件的S-N曲线以上述曲线为基准进行修正，修正系数如下：①尺寸系数ε，对于承受轴向载荷的零件，不存在宏观的应力梯度，并且在整个材料横截面上临界轴向应力是相同的，因此此处修正系数取1;②拉压疲劳载荷系数，对于无弯曲的纯轴向加载条件，修正系数取0.9;③表面加工系数，根据材料牌号及锻造加工方式等确定表面加工系数为0.52（渗氮等处理导致疲劳寿命增加，该处不进行考虑，取该系数计算计算结果偏安全）。

修正后的零件S-N曲线公式为：

式中：为参数修正后的零件疲劳极限。

2.4 疲劳寿命分析

基于ANSYS有限元通用软件Fatigue模块对扭片部件各个工况进行疲劳寿命分析，根据计算结果可知，当连杆受循环载荷为5 980 ～1 235 N时，最终计算连杆为理论上的无限疲劳寿命，寿命大于初始设定的500h。

3 结论

本文根据活塞发动机曲轴模型，基于ANSYS软件，建立了有限元仿真分析模型，并计算了该活塞发动机曲轴静强度。结合结构的S-N曲线和ANSYS软件FE-Safe疲劳计算模块，开展了曲轴的疲劳寿命仿真分析，分析结果表明，该曲轴的疲劳寿命满足产品设计要求。

参考文献

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